Tên đề tài : Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển động cơ xe máy điện.. PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Dành cho giảng viên hướng dẫn Họ và tên sinh viên: Đoàn Duy Khôi MSSV: 201450
TỔNG QUAN
Tính cấp thiết của đề tài
Vấn đề ô nhiễm môi trường từ lâu đã trở thành vẫn đề được đem ra nhắc mỗi khi thế giới có những đợt biến đổi khí hậu, nóng lên toàn cầu,… Nguyên nhân của việc này là do ảnh hưởng của các loại khí thải mà con người thải ra mỗi ngày mỗi giờ như khí CO, CO2, khí SOx, NOx,… đã và đang làm cho môi trường không khí ngày càng trở nên ô nhiễm gây ra tác hại không những đến bản thân chính con người mà con gây hại đến cả sự tồn tại của các loài sinh vật
Khí CO gây ngộ độc cho con người do nó gây ảnh hưởng đến việc vận chuyển Oxy trong máu Khi ngộ độc, khí CO này gắn chặt vào phân tử máu chiếm vị trí của Oxi làm cho máu không thể dẫn Oxy đi nuôi các tế bào
Khí CO2 gây ra hiện tượng nóng lên toàn cầu, biến đổi khí hậu và là một phần tạo nên hiện tượng mưa axit
Khí thải SOx và NOx là những tác nhân gây ô nhiễm không khí nghiêm trọng Khí SOx khi phản ứng với nước mưa tạo ra axit H2SO4, dẫn đến hiện tượng mưa axit ảnh hưởng xấu đến sự phát triển của thực vật Ngoài ra, sự hiện diện của SOx trong không khí còn gây ăn mòn kim loại, bê tông và các công trình kiến trúc Trong khi đó, khí NOx không chỉ gây tổn thương tế bào phổi mà còn liên quan đến các vấn đề về tim mạch và hô hấp như hen suyễn, viêm phổi Để giải quyết vấn đề này, nhiều quốc gia đã áp dụng các tiêu chuẩn khí thải nghiêm ngặt như EURO5, EURO6 đối với các phương tiện sử dụng nhiên liệu hóa thạch Tuy nhiên, sự cạn kiệt dần của nguồn nhiên liệu hóa thạch, đặc biệt là dầu mỏ - nguồn năng lượng chủ chốt của nền kinh tế toàn cầu, đã tạo nên nhu cầu cấp thiết phát triển các phương tiện giao thông tiết kiệm nhiên liệu hơn, trong đó xe điện được xem là một lựa chọn khả thi để đảm bảo cải thiện khả năng tiết kiệm nhiên liệu và giảm lượng khí thải Do đó nhóm thực hiện quyết định chọn
2 đề tài “Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển cho xe máy điện” để nghiên cứu và để có nhiều góc nhìn cụ thể hơn về xe điện.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Động cơ không đồng bộ 3 pha
- Tìm hiểu lý thuyết và nguyên lý hoạt động của động cơ không đồng bộ ba pha
- Tìm hiểu, nghiên cứu phương pháp điều khiển động cơ xe điện
- Tìm hiểu và thiết kế mạch điện để điều khiển động cơ xe điện.
Tình hình nghiên cứu và phát triển của đề tài
Trong những năm gần đây, tình hình phát triển xe điện đang trở thành xu hướng tất yếu của sự phát triển toàn cầu nói chung và Việt Nam đang đi theo đúng lộ trình đó, phát triển đầy triển vọng, với sự hỗ trợ của chính phủ, sự hợp tác quốc tế và cam kết của cộng đồng nghiên cứu và doanh nghiệp Đã có nhiều đề tài nghiên cứu từ nhỏ đến lớn về lĩnh vực này:
Luận văn thạc sĩ “Tính toán thiết kế hệ thống điều khiển trên xe máy điện” do Thạc sĩ Đinh Cao Trí nghiên cứu tại trường Đại học Sư phạm kỹ thuật TP.HCM [1] Đồ án tốt nghiệp “ Thiết kế hệ thống điều khiển cho xe gắn máy điện” do Phạm Chí Linh và Lê Thị Thu Hải nghiên cứu tại trường Đại học Sư phạm kỹ thuật TP.HCM [2]
Startup VinFast là một trong những dẫn đầu về phát triển xe máy điện tại Việt Nam Họ đã giới thiệu mẫu xe máy điện VF e-Lux với phạm vi hoạt động lên đến 120 km và thời gian
3 sạc nhanh chỉ 1 giờ VinFast cũng đang xây dựng hệ thống trạm sạc xe máy điện trên toàn quốc
PEGA và YADEA là hai startup Việt khác cũng đã cho ra mắt những mẫu xe máy điện có thiết kế và tính năng cạnh tranh, như PEGA Xmen City và YADEA U5
Thị trường xe máy điện tiếp tục tăng trưởng mạnh mẽ: Các thị trường chủ chốt như Trung Quốc, Ấn Độ, châu Âu và Mỹ đều ghi nhận sự tăng trưởng hai con số về doanh số bán xe máy điện Nhiều quốc gia đã đưa ra các chính sách hỗ trợ và ưu đãi nhằm thúc đẩy sự phổ biến của xe máy điện
Các nhà sản xuất xe máy lớn như Honda, Yamaha, Suzuki đã đầu tư mạnh vào nghiên cứu và phát triển xe máy điện trong những năm gần đây Họ đã giới thiệu một số mẫu xe máy điện chạy được khoảng 50-100 km mỗi lần sạc pin
Sự cạnh tranh ngày càng gay gắt: Các hãng xe máy truyền thống cũng như các startup công nghệ đều đẩy mạnh đầu tư và phát triển dòng sản phẩm xe máy điện Công nghệ pin, động cơ điện và hệ thống điều khiển liên tục được cải tiến nhằm nâng cao hiệu suất và phạm vi hoạt động
Sự xuất hiện của các mô hình xe máy điện mới: Ngoài các mẫu xe máy điện truyền thống, ngày càng có nhiều mẫu mã đa dạng như xe tay ga, xe mô tô, xe ba bánh, v.v Một số mẫu xe máy điện mới còn tích hợp các công nghệ như lái tự động, kết nối Internet of Things
Tập trung vào tính bền vững và an toàn: Các nhà sản xuất chú trọng vào việc nâng cao hiệu suất năng lượng, giảm phát thải và an toàn cho người sử dụng Các tiêu chuẩn về an toàn và bảo vệ môi trường đối với xe máy điện cũng được thắt chặt Nhìn chung, thị trường xe máy điện đang phát triển rất sôi động và là một xu hướng không thể đảo ngược trong tương lai
Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu thu thập thông tin: thu thập và phân tích các tài liệu đã được xuất bản liên quan đến gương chiếu hậu có nhớ ô tô, bao gồm các bài báo, sách và các tài liệu khác Phương pháp này giúp người nghiên cứu hiểu rõ hơn về trạng thái hiện tại của lĩnh vực nghiên cứu và đưa ra các đề xuất mới cho đề tài
Phương pháp nghiên cứu mô phỏng: phương pháp sử dụng mô phỏng máy tính để nghiên cứu và phân tích các hiện tượng, quá trình hoặc hệ thống Cho phép dự đoán hoặc giải thích các dữ liệu trước khi thực nghiệm nhằm tăng sự hiệu quả và giảm rủi ro
Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: thực hiện các thí nghiệm trên sản phẩm hoặc các mô hình mô phỏng của sản phẩm Đây là phương pháp quan trọng để kiểm tra tính khả thi và hiệu quả của các giải pháp đề xuất và đưa ra các cải tiến trong quá trình phát triển sản phẩm
Phương pháp nghiên cứu đánh giá: đánh giá các sản phẩm có sẵn trên thị trường và so sánh với các sản phẩm mới được phát triển Phương pháp này giúp người nghiên cứu hiểu rõ hơn về các yếu điểm của sản phẩm hiện có và đưa ra các giải pháp để cải thiện sản phẩm mới.
Mục tiêu nghiên cứu
- Tìm hiểu và nắm được cơ sở lí thuyết của động cơ không đồng bộ 3 pha và các linh kiện điện tử như: Tụ điện, điện trở, IC ổn áp,…
- Mô phỏng hệ thống bộ nghịch lưu 3 pha toàn kì và 3 pha bán kì bằng phần mềm Matlab/ Simulink và đưa ra đánh giá
- Tính toán thông số đầu vào cho vi điều khiển bằng Matlab
- Thiết kế mạch điều khiển, mạch driver và mạch công suất cho bộ nghịch lưu bằng phần mềm Proteus
- Lập trình vi điều khiển STM32
- Thực nghiệm đánh giá và đưa ra phương án cải tiến mạch điều khiển
Kết quả dự kiến
Nghiên cứu, thiết kế được mạch nghịch lưu ba pha nhiều tần số dùng để điều khiển cho động cơ không đồng bộ 3 pha trên xe máy điện.
Nội dung
Chương 2 : Cơ sở lý thuyết
Chương 3 : Xây dựng hệ thống
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Động cơ không đồng bộ 3 pha
2.1.1 Khái niệm về động cơ không đồng bộ 3 pha Động cơ không đồng bộ 3 pha là loại động cơ sử dụng dòng điện xoay chiều 3 pha để chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ Động cơ này hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng từ, trong đó từ trường quay được tạo ra trong stato sẽ tạo ra lực từ kéo roto quay theo, nhưng với tốc độ chậm hơn stato Đây là loại động cơ rất phổ biến và được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp
2.1.2 Cấu tạo động cơ không đồng bộ 3 pha Động cơ không đồng bộ 3 pha được cấu tạo từ 2 phần chính là quay tĩnh (stator) và phần động (rotor):
Hình 2 1 Cấu tạo động cơ không đồng bộ 3 pha [3]
Stato được cấu tạo từ 2 bộ phận chính là lõi sắt và dây quấn Ngoài ra còn có vỏ máy và nắp máy được làm bằng gang
Lõi sắt được sử dụng để dẫn từ Để giảm thiểu tổn thất, lõi sắt được làm từ các lá thép kỹ thuật điện mỏng có độ dày 0,5mm Mỗi lá thép được phủ một lớp sơn cách điện mỏng để hạn chế tổn thất do dòng điện xoáy, sau đó các lá thép này được ép lại thành khối
Dây quấn stato, được lắp vào các rãnh của lõi sắt và cách điện tốt với lõi, đóng vai trò then chốt trong việc chuyển đổi năng lượng giữa điện và cơ Đây là bộ phận quan trọng trong máy điện, đảm bảo quá trình biến đổi năng lượng diễn ra hiệu quả b Phần quay (Rôto)
Rotor cũng có lõi thép, dây quấn và trục động cơ
- Lõi thép: Lõi thép của stato được ghép từ nhiều lá thép kỹ thuật điện Phần ngoài của lõi có các rãnh để đặt dây quấn, trong khi phần giữa có lỗ để lắp trục Những lá thép này được xếp chồng lên nhau, tạo nên cấu trúc lõi hoàn chỉnh
- Dây quấn: gồm 2 loại chính, roto kiểu dây quấn và roto kiểu lồng sóc
+ Roto kiểu dây quấn sử dụng loại dây quấn tương tự như dây quấn trên Stator và được đặt trong lõi thép Dây quấn ba pha thường được đấu hình sao, ba đầu sao lần lượt nối với ba vòng trượt bằng đồng có ba chổi than tì lên trên
Hình 2 3 Rotor kiểu dây quấn [3]
+ Roto kiểu lồng sóc: Rotor kiểu lồng sóc trong động cơ ba pha không đồng bộ có cấu trúc đặc biệt với dây quấn cuộn trong các rãnh của lõi sắt rotor và được nối tắt bằng vòng ngắn mạch, tạo thành cấu trúc lồng sóc Dây quấn không được cách điện với lõi sắt để cải thiện hiệu suất khởi động, và có thể thiết kế rãnh lồng sóc kín cho các máy nhỏ
Trong động cơ không đồng bộ, rotor có dạng tròn với khe hở được tạo ra một cách đồng đều Khe hở này thường được thiết kế rất nhỏ (khoảng từ 0,2 đến 1 mm đối với các máy kích thước nhỏ và trung bình) để hạn chế hiện tượng dòng từ hoá và tăng hệ số công suất của máy
2.1.3 Nguyên lý làm việc của động cơ điện không đồng bộ xoay chiều ba pha a) Sự hình thành từ trường quay
Hình 2 5 Dây quấn trong Stator và biểu diễn dòng điện 3 pha [4] Để tạo ra từ trường quay trong lõi thép Stator, cuộn dây Stator cần được chế tạo và bố trí theo quy trình cụ thể Ba cuộn dây của 3 pha AX, BY và CZ được đặt lệch nhau 120°.Dòng điện cung cấp cho động cơ theo dạng dòng xoay chiều ba pha: IA, IB, IC cũng được lệch pha nhau 120° Để khảo sát sự biến thiên của từ trường sinh ra trong lõi thép Stato, ta cần xem xét chiều và vị trí của từ trường tại 4 thời điểm trên đồ thị thời gian như sau
Hình 2 6 Biểu diễn chiều dòng điện trong các cuộn dây [4]
Dòng điện từ đầu đến cuối cuộn dây được ký hiệu bằng dấu (+), và ngược lại là dấu (-) Ở thời điểm (a), dòng điện trong cuộn dây AX (IA) đi vào và có hướng dương Trái lại, dòng điện IB và IC trong cuộn dây BY và CZ đi ra và có hướng từ cuối đến đầu Sử dụng quy tắc bàn tay phải, ta có thể xác định hướng của từ trường tại các thời điểm (a, b, c, d) trên đồ thị thời gian Từ thời điểm (a) đến (d) tương ứng với một nửa chu kỳ (T/2), trong đó từ trường quay được 180 độ Sau một chu kỳ dòng điện, từ trường quay một vòng đầy đủ, tức là 360 độ b) Nguyên lí làm việc động cơ 3 pha không đồng bộ
Hình 2 7 Từ trường quay tạo bở động cơ không đồng bộ ba pha [4]
Khi dòng điện ba pha chạy qua dây quấn Stator, một từ trường quay sẽ được tạo ra với tốc độ 𝑛 1 theo công thức 𝑛 1 = 60𝑓
𝑝 Trong quá trình này, từ trường quay di chuyển theo chiều kim đồng hồ và khi động cơ được khởi động, sự tạo ra sức điện động cảm ứng trong các thanh
11 dẫn của rotor sẽ xảy ra Các thanh dẫn của rotor được nối ngắn mạch bởi cấu trúc rotor lồng sóc, và do đó, dòng điện cảm ứng sẽ được tạo ra trong các thanh dẫn Chiều của dòng điện cảm ứng sẽ tương đồng với sức điện động cảm ứng, và các thanh dẫn của rotor sẽ chịu tác động của lực điện từ Sự tương tác này tạo ra một cặp lực có xu hướng kéo rotor quay theo chiều kim đồng hồ
Dây quấn của rotor lồng sóc bao gồm nhiều thanh dẫn, và thông qua tác động của các lực điện từ, Mômen quay được tạo ra kéo rotor quay theo chiều của từ trường với tốc độ n Tốc độ n của rotor thường nhỏ hơn tốc độ của từ trường quay Độ chênh lệch giữa tốc độ từ trường quay và tốc độ của rotor được gọi là tốc độ trượt 𝑛 2 , và hệ số trượt tốc độ được tính bằng công thức: 𝑛 2 = 𝑛 1 − 𝑛
2.1.4 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ 3 pha không đồng bộ
Do tốc độ của rotor không giống với tốc độ từ trường quay, nên chúng ta gọi nó là động cơ không đồng bộ Sự chênh lệch giữa tốc độ từ trường quay và tốc độ quay của rotor được gọi là tốc độ trượt 𝑛 2 được xác định bằng công thức sau:
Do vậy hệ số trượt của động cơ được xác định bằng công thức:
Hệ số trượt s thay đổi từ 1 đến 10 phần trăm tùy thuộc vào kích cỡ và loại động cơ Tốc độ trên trục động cơ được tính bằng công thức sau:
+ n: tốc độ quay của động cơ (vòng/phút)
12 + n1 : tốc độ quay của từ trường
+ f: tần số của dòng điện (Hz)
Dựa vào đó ta có các cách sau để thay đổi tốc độ động cơ: a) Thay đổi cực từ
Phương pháp này chỉ áp dụng với động cơ sử dụng Rotor lồng sóc bởi khi giảm số cặp cực của Stator đồng thời cũng phải giảm số cặp cực trên Rotor, điều này khó thực hiện được đối với Rotor kiểu dây quấn b) Thay đổi tần số
Bộ nghịch lưu
Một động cơ xoay chiều 3 pha muốn hoạt động và đều khiển được cần phải dùng thiết bị chuyển dòng điện xoay chiều 1 pha thành dòng điện xoay chiều 3 pha với nhiều tần số
Bộ biến tần là một thiết bị dùng để khởi động và điều khiển động cơ không đồng bộ 3 pha bằng cách chuyển điện áp xoay chiều AC 1 pha 50Hz thành điện áp xoay chiều 3 pha với nhiều tần số khác nhau Một bộ biến tần cơ bản gồm các thành phần: Bộ chỉnh lưu (6-pulse Rectifier Converter), bộ lọc (DC filter and buffer), bộ nghịch lưu (Inverter) Đối với quy mô của đồ án sử dụng pin Lithium là nguồn điện một chiều DC, chúng ta bỏ qua thành phần bộ chỉnh lưu và bộ lọc
Bộ nghịch lưu: ngược lại với bộ chỉnh lưu, bộ nghịch lưu là thiết bị chuyển đổi điện áp 1 chiều thành điện áp xoay chiều 3 pha để cung cấp cho tải xoay chiều 3 pha hoạt động
Cấu tạo của bộ nghịch lưu bao gồm:
Mạch điều khiển: Gồm có vi điều khiển, mạch ổn áp cấp nguồn cho vi điều khiển, opto cách ly, led báo nguồn
Mạch driver: Gồm có 3 IC IR2103, mạch Bootstrap, mạch ổn áp cấp nguồn cho opto, led báo nguồn, các tụ và diode
Mạch công suất: 6 cặp IGBT H25R gồm 2 IGBT mắc song song, điện trở
Hình 2 10 Điện áp trên các tải của mạch nghịch lưu Điện áp đầu ra trên các pha ở mỗi thời điểm là khác nhau, cụ thể điều khiển S1, S4 tạo ra pha A, S3, S5 tạo ra pha B, S6, S4 tạo ra pha C và mỗi pha lệch nhau 120 Giá trị hiệu dụng dạng điện áp trên các pha Ua, Ub, Uc là:
3 𝐸 Khi đó, giá trị điện áp tại mỗi pha:
2.2.2 Mô phỏng bộ nghịch lưu bằng phần mềm Matlab/ Simulink
Hình 2 11 Sơ đồ tổng quát mạch nghịch lưu 3 pha bằng phần mềm Matlab/ Simulink a) Khối điều khiển bộ nghịch lưu
Hình 2 12 Khối điều khiển bộ nghịch lưu
Nhiệm vụ của khối này là tạo ra các xung SPWM cấp vào chân G của các khóa bán dẫn tương ứng bằng cách so sánh sóng sin chuẩn (Vref) với sóng tam giác (Vcar) Nếu Vref > Vcar thì xuất ra tín hiệu mức cao (ON) cho IGBT phía cao tương ứng IGBT phía thấp có xung tín
17 hiệu ngược lại với IGBT qua cổng NOT Tức là khi IGBT phía cao dẫn thì IGBT phía thấp ngắt và ngược lại b) Khối mạch nghịch lưu
Hình 2 13 Khối mạch nghịch lưu
Chức năng của khối này dùng để xuất ra điện áp xoay chiều 3 pha từ nguồn DC bằng tín hiệu được gửi bởi khối điều khiển Một khối dùng để đo được điện áp 3 pha và dòng qua tải và xuất dữ liệu lên Scope
Chức năng của khối là mô phỏng một tải 3 pha sử dụng điện áp từ bộ nghịch lưu Tải được sử dụng ở đây là động cơ không đồng bộ 3 pha mắc song song với 2 tải RL
2.2.3 Phương pháp điều khiển mạch nghịch lưu a) Phương pháp SINPWM (Sin Pulse Width Modulation) Điều chế độ rộng xung (Pulse Width Modulation - PWM), là phương pháp điều khiển trạng thái cao – thấp của một mức điện áp được lặp đi lặp lại một cách tuần hoàn
19 Khi nói đến điều chế độ rộng xung có ba đại lượng đặc trưng cần phải chú ý:
+ Tần số (Frequency): là số dao động trong 1s hay có thể hiểu là số lần xung chuyển mức trạng thái cao thấp trong 1s, có đơn vị là Hz
+ Chu kỳ (Period): là thời gian thực hiện một dao động
+ Độ rộng xung ( Duty Cycle): là thời gian xung ở mức cao trong một chu kỳ
Duty Cycle được tính bằng phần trăm (%) và có công thức:
Ton: Thời gian xung ở mức cao
Hình 2 16 Các trường hợp Duty Cycle [7]
Phương pháp điều chế độ rộng xung SinePWM là phương pháp liên tục thay đổi Duty Cycle của xung PWM theo giá trị của đồ thị được tạo ra bằng cách sử dụng một tín hiệu sóng mang (VCarrier) so sánh với sóng điều chế có dạng hình Sine (VReference)
20 Dạng sóng đầu ra sẽ là các xung vuông với các Duty Cycle khác nhau khi lấy giá trị RMS ta sẽ được ta sẽ được một điện áp Sine hoàn chỉnh
Hình 2 17 Mô phỏng phương pháp tạo xung SinPWM
Khi Vref > Vcar thì IGBT phía cao được kích vào chân G
Khi Vref < Vcar thì IGBT phía thấp được kích vào chân G
Hình 2 18 Mô phỏng tín hiệu kích vào chân G của các IGBT ở chế độ SPWM
Hình 2 19 Kết quả mô phỏng điện áp 3 pha ở chế độ SPWM
Hình 2 20 Kết quả mô phỏng dòng điện trong Stato của động cơ ở chế độ SPWM b) Phương pháp Half-phase SinPWM (HSPWM) Để tránh các IGBT bị trùng dẫn, có một phương pháp đó là khi IGBT mức cao được kích, IGBT phía thấp sẽ không được kích trong suốt bán kỳ đó, và ngược lại
Hình 2 21 Mô phỏng tín hiệu kích vào chân G của các IGBT ở chế độ HSPWM
Hình 2 22 Kết quả mô phỏng điện áp 3 pha ở chế độ HSPWM
Hình 2 23 Kết quả mô phỏng dòng điện trong Stator của động cơ ở chế độ HSPWM c) Phương pháp Asynchronous SinPWM (ASPWM)
Trên thực tế, việc điều khiển đóng ngắt giữa IGBT phía cao và phía thấp cần phải có thời gian trễ khi bật để tránh việc mạch bị trùng dẫn do tính chất của IGBT
Hình 2 24 Thời gian trễ (Dead time) khi dẫn, ngắt của IGBT H25R1203
Theo như hình phía trên ta thấy:
- Thời điểm bắt đầu td(off): Khi VGE chuyển từ ON thành OFF, VCE < 90% VCE Khi đó IGBT vẫn đang ở trang thái dẫn
- Thời điểm sau t1: VCE ~ 100% Khi đó IGBT đã ngắt hoàn toàn
Vậy thời gian trễ khi ngắt của IGBT: toff_deadtime = td(off) + tf
Tương tự, thời gian trễ khi dẫn của IGBT: ton_deadtime = td(on) + tr
Bảng 2 1 Đặc điểm đóng ngắt của IGBT H25R1203 [8]
Như vậy theo công thức trên, độ trễ khi ngắt của IGBT ở nhiệt độ 175 o C: toff_deadtime = 373+90.6 F3,6 (ns)
Hình 2 25 Tín hiệu kích vào chân G của một cặp khóa bán dẫn theo lí thuyết
Nếu điều khiển cặp xung PWM đúng như lý thuyết, khi IGBT một phía ON thì IGBT phía còn lại có thể chưa kịp OFF dẫn đến ngắn mạch làm cháy nổ mạch điện Vì vậy cần phải thêm độ trễ khi ON của IGBT để tránh hiện tượng xấu xảy ra
Mô phỏng sau có thêm độ trễ để việc mô phỏng tăng độ chính xác giữa mô phỏng và thực nghiệm
Hình 2 26 Khối điều khiển mạch nghịch lưu sau khi đã thêm độ trễ cho khóa bán dẫn
Bằng cách thêm độ trễ ở cạnh lên (Rising Edge) của các tín hiệu, ta có thể tạo ra xung PWM gần giống với thực tế khi tín hiệu cấp vào chân G của IGBT chỉ được chuyển trạng thái sang ON khi mà IGBT phía còn lại đã ngắt hoàn toàn như hình dưới đây:
Hình 2 27 Mô phỏng tín hiệu của một cặp IGBT khi thêm độ trễ
Ta thấy độ trễ khi chuyển trạng thái có giá trị xấp xỉ 20 𝜇𝑠 >> 𝑡𝑜𝑓𝑓_𝑑𝑒𝑎𝑑𝑡𝑖𝑚𝑒 khi đó việc chuyển trạng thái giữa ON và OFF của các IGBT sẽ giảm bớt hiện tượng trùng dẫn
Hình 2 28 Kết quả mô phỏng điện áp 3 pha ở chế độ ASPWM
Hình 2 29 Kết quả mô phỏng dòng điện trong Stator của động cơ ở chế độ ASPWM
Xét các phương pháp điều chế PWM
Các thiết bị và linh kiện cần sử dụng
2.3.1 Vi điều khiển STM32F103C8 a) Giới thiệu vi điều khiển STM32
Vi điều khiển STM32 là dòng sản phẩm vi điều khiển của STMicroelectronics, một trong những nhà sản xuất hàng đầu thế giới trong lĩnh vực bán dẫn STM32 được phát triển dựa trên kiến trúc ARM Cortex-M và cung cấp một loạt các vi điều khiển với các tính năng và hiệu suất khác nhau để phục vụ cho nhiều ứng dụng khác nhau
STM32F103 một lựa chọn phổ biến và đáng tin cậy cho các ứng dụng điều khiển và nhúng Với hiệu suất cao và giá thành phải chăng, nó được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như điều khiển động cơ, thiết bị cầm tay, và ứng dụng công nghiệp
31 STM32 được tích hợp với nhiều chức năng ngoại vi như các giao tiếp như UART, SPI, I2C, CAN, USB, bộ chuyển đổi ADC, bộ tạo xung PWM Điều này giúp việc phát triển ứng dụng trở nên dễ dàng và linh hoạt
Hình 2 34 Sơ đồ chân mạch STM32F103C8T6 [10] b) Lập trình cho STM32
STMicroelectronics phát triển công cụ STM32CubeMX, hỗ trợ tạo mã cơ bản cho thiết bị ngoại vi và bo mạch STM32, giúp tiết kiệm thời gian và chi phí Mã này có thể dễ dàng chỉnh sửa trong Keil uVision STM32CubeMX, thuộc bộ công cụ STMCube, đơn giản hóa phát triển bằng cách giảm thiểu thời gian và chi phí, cung cấp các tính năng như cấu hình chân, thiết lập xung, quản lý nguồn, và cấu hình ngoại vi cho MCU cùng các ngăn xếp phần mềm trung gian như USB, TCP/IP Công cụ này có thể tải từ trang web STMicroelectronics Keil C là một lựa chọn phổ biến để lập trình C hoặc Assembly, hỗ trợ soạn thảo và biên dịch mã để nạp vào vi điều khiển, tạo điều kiện tương tác giữa vi điều khiển và lập trình viên
Hình 2 35 Sơ đồ cấu hình chân cho STM32F103C8T6
Hình 2 36 Lập trình cho STM32F103C8T6 Trên KeilC
IR2103 là một IC bán dẫn được sử dụng phổ biến trong mạch logic và trong các mạch nguồn đòi hỏi ổn định cao Nó được sử dụng để tăng tín hiệu từ vi điều khiển (VDK) có điện áp thấp (3.3V ví dụ với STM32) lên mức cao hơn (ví dụ 12V) để kích vào chân G của IGBT
Trong các ứng dụng ngược, việc tạo ra tín hiệu điện áp điều khiển IGBT ở mức cao phức tạp hơn so với ở mức thấp Đây chính là lý do mà IC lái này được thiết kế đặc biệt cho việc điều khiển IGBT
Hình 2 37 Sơ đồ chân IR2103 [11]
+ VCC: Nguồn cố định mức thấp và logic
+ HIN: : Đầu vào logic cho đầu ra trình điều khiển cổng mức cao (HO)
+ LIN: Đầu vào logic cho đầu ra trình điều khiển cổng mức thấp (LO)
+ COM: Chân âm trở về từ các khoá công xuất
+ VB: Nguồn nuôi cho mạch bootstrap
+ HO:Đầu ra trình điều khiển cổng mức cao
+ VS:Điện áp cao trả về để nuôi mạch bootstrap
+ LO:: Đầu ra trình điều khiển cổng mức thấp
34 IR2103 có thể điều khiển cả hai kênh cao và thấp, có thể đạt đến điện áp lên đến 600V, dòng lái 1A, và tích hợp các chức năng bảo vệ như bộ chống đánh thủng và chống trùng dẫn Mạch điều khiển như hình vẽ:
Hình 2 38 Sơ đồ điều khiển 2 kênh dùng IR2103 [11]
2.3.3 IGBT H20R1203 a) Giới thiệu về IGBT
IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) là một linh kiện bán dẫn công suất được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng điện tử công suất cao IGBT kết hợp các ưu điểm của Transistor Bipolar và MOSFET để cung cấp hiệu suất cao, khả năng chịu được điện áp lớn và dòng điện lớn, cũng như khả năng điều khiển linh hoạt
35 b) Cấu tạo và kí hiệu IGBT
Hình 2 40 Cấu tạo và kí hiệu IGBT [11]
IGBT có cấu trúc gần giống MOSFET, nhưng khác biệt ở việc thêm một lớp nối với collector, tạo thành một cấu trúc bán dẫn p-n-p giữa emitter và collector Khi có áp điều khiển Uge>0, kênh dẫn hình thành và các điện tử chuyển từ emitter về collector, tạo ra dòng collector giống như trong transistor thông thường c) Nguyên lý hoạt động
IGBT bao gồm ba cực và ba lớp kim loại khác nhau Cực ở cổng Gate được bảo vệ bằng lớp silicon dioxide để cách điện Cực Collector gần Emitter bao gồm lớp p+ đặt trên lớp n-, trong khi cực Emitter bao gồm một lớp p và bên trong có một lớp p+ Tiếp điểm giữa lớp p+ và n- được gọi là J2, và giữa n- và p được gọi là J1
Nguyên lý hoạt động khi chưa kích hoạt: Khi nguồn điện VCC được kích hoạt, tiếp điểm J1 được phân cực thuận và J2 phân cực nghịch Ban đầu, không có dòng điện chảy qua IGBT từ Emitter đến Collector vì cổng Gate không được kích hoạt
Hoạt động khi cổng Gate được kích hoạt: Khi điện áp tại cổng Gate tăng, các hạt mang điện tích âm tụ trên mặt trên của lớp silicon dioxide và các hạt mang điện tích dương tụ ở bề mặt dưới Điều này dẫn đến sự tăng cao của các hạt mang điện tích âm trong lớp p Khi điện áp tại cổng Gate tăng đến một mức nhất định, dòng điện có thể chạy từ Collector sang Emitter thông qua tiếp điểm J2, làm cho IGBT dẫn điện
Hình 2 41 Nguyên lí hoạt động IGBT [11]
2.3.4 Opto HCPL 2631 a) Khái niệm về Opto
Hình 2 42 Sơ đồ cấu tạo Opto Quang [11]
37 Opto là một linh kiện sử dụng ánh sáng để kiểm soát hoặc hoặc truyền tín hiệu điện , được sử dụng để truyền tín hiệu điều khiển giữa hai mạch hoạt động ở các mức điện áp khác nhau Công dụng chính của opto dùng để cách li giữa 2 mạch Điều này đảm bảo rằng tín hiệu không bị nhiễu từ mạch này truyền sang mạch khác b) Cấu tạo và nguyên lí hoạt động
Một opto thường bao gồm hai phần chính: một đầu dùng để nhận tín hiệu ánh sáng (LED) và một đầu dùng để phát tín hiệu ánh sáng và cảm biến
Hình 2 43 Cấu tạo Opto Quang [11]
Khi một tín hiệu điện được áp dụng vào đầu phát của opto, LED sẽ phát ra ánh sáng Ánh sáng này sẽ được chuyển đổi thành tín hiệu điện tại đầu nhận, tạo ra một cách ly điện giữa hai phần của mạch Điều này giúp ngăn ngừa sự truyền dẫn của nhiễu điện từ một phần của mạch sang phần khác, bảo vệ linh kiện và tăng độ tin cậy của hệ thống điện tử
Hệ thống thử nghiệm
Hình 2 55 Mô hình động cơ 3 pha không đồng bộ 0.3 kW
Bảng 2 3 Thông số động cơ 3 pha 0,3kW
Thông số Giá trị Đơn vị
Tốc độ quay 2800 Vòng/ phút
Hình 2 56 Mô hình động cơ 3 pha không đồng bộ 2 kW
2.4.3 Động cơ trên mô hình xe máy Động cơ được lắp trên xe máy là loại động cơ không đồng bộ ba pha dạng rotor lồng sóc, có công suất là 1.5kW Cấu tạo động cơ này cũng tương tự như động cơ không đồng bộ ba pha lồng sóc thông thường
Hình 2 57 Động cơ trên xe máy Bảng 2 4 Thông số động cơ trên xe máy
Thông số Giá trị Đơn vị
Tốc độ quay 1450 Vòng/ phút
XÂY DỰNG HỆ THỐNG
Tính toán các thông số cơ bản
3.1.1 Bộ nguồn Điện áp hoạt động trung bình của mỗi cell pin:
Bộ nguồn gồm 72 cell pin mắc nối tiếp nhau theo hệ 72S – 1P:
3.1.2 Hệ số trượt của động cơ
Dựa vào giá trị Bảng 2.3 và công thức 2.1 ta có thể tính được tốc độ quay của từ trường:
Từ đó tính được hệ số trượt s của động cơ:
3.1.3 Tốc độ xe không tải Đối với xe máy (loại xe số) sử dụng hệ thống nhông sên dĩa để dẫn động truyền động làm bánh xe quay Hệ thống bao gồm: bánh răng trước (nhông), dây xích tải (sên), bánh răng sau (dĩa) Từ đó có các thông số cấu tạo cơ bản của động cơ và bộ truyền động như sau:
+ Tốc độ xe không tải
Sơ đồ và nguyên lý hoạt động của hệ thống
Hình 3 1 Sơ đồ khối toàn bộ
+ Nguồn điện: cung cấp điện từ pin Lithium gồm 72 cell (mỗi cell 3.7V – 3200mAh) mắc nối tiếp tạo thành nguồn điện một chiều khoảng 220V cấp cho các khối hoạt động
+ Tín hiệu đầu vào: đầu vào của hệ thống là tín hiệu Analog từ tay ga sử dụng nguyên lí Hall
+ Vi điều khiển: Sử dụng một bộ nguồn riêng cách ly và nhận tín hiệu cảm biến vị trí tay ga từ đó xuất xung SPWM điều khiển bộ nghịch lưu
+ Opto: Cách ly vi điều khiển với mạch công suất
+ Bộ nghịch lưu: Chuyển đổi nguồn điện một pha thành nguồn điện 3 pha để cung cấp cho động cơ
+ Động cơ không đồng bộ 3 pha được cấp nguồn từ bộ nghịch lưu và dẫn động quay bánh xe
3.2.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống
Khi các khối được kết nối với nhau tạo thành một hệ thống và hệ thống hoạt động như sau:
Khi nguồn được cấp, các thiết bị sẵn sàng hoạt động, khối điều khiển trung tâm sẽ chờ sẵn tín hiệu từ sự thay đổi của tay ga
Khi có tín hiệu đầu vào từ tay ga tín hiệu này sẽ thông qua bộ chuyển đổi ADC gửi đến bộ điều khiển
Vi điều khiển STM32F103C8T6 nhận tín hiệu đầu vào, tính toán và xuất ra tín hiệu SPWM điều khiển bộ nghịch lưu
Các xung tín hiệu SPWM sẽ được đưa ra đến bộ nghịch lưu, khi đó 3 bộ IR2103 sẽ điều khiển 6 cặp IGBT đóng ngắt tạo ra một điện áp khuếch đại theo tín hiệu xung SPWM điều khiển và cấp nguồn cho động cơ theo các pha phù hợp với tần số mong muốn.
Tạo tín hiệu SPWM trên vi điều khiển
3.3.1 Tạo sóng mang tần số cao
Một số lưu ý khi chọn tần số sóng mang:
- Được quyết định bởi tần số tối đa kích vào chân G của IGBT
- Không được vượt quá tần số cho phép của IGBT
- Nếu chọn quá cao sẽ khiến cho IGBT phải đóng ngắt với tần số quá cao Khi đó điện áp ngược sinh ra trong mạch điện rất lớn và sẽ đánh thủng IGBT
- Nếu chọn quá thấp thì điện áp sinh ra và dòng điện qua tải sẽ có độ biến thiên lớn
Hình 3 2 Điện áp khi tần số sóng mang bằng 1kHz
Hình 3 3 Dòng điện qua tải khi tần số sóng mang bằng 1kHz
Việc tạo sóng mang có tần số cao Vcar dựa vào việc cấu hình Timer ở mode Center Aligned Mode 1 sẽ cho ta một sóng tam giác cân Ở chế độ Center Aligned Mode dao động nội bên trong STM32 sẽ đếm từ giá trị 0 đến giá trị đỉnh và sinh ra cờ ngắt sau đó từ giá trị đỉnh đếm lại về 0 sẽ cho ra một sóng mang tam giác cân
Trong đó tần số sóng mang được tính theo công thức:
+ 𝐹 𝐶𝐿𝐾 : xung đồng hồ (chọn 𝐹 𝐶𝐿𝐾 = 72MHz)
+ ARR: giá trị của bộ đếm Timer có 12 bit (chọn ARR = 4499)
2 (4499 + 1) (0 + 1)= 8000 𝐻𝑧 = 8 𝑘𝐻𝑧 Tạo bảng tham chiếu sóng điều chế gồm 360 phần tử tượng trung cho điện áp ngõ ra của 3 pha A, B, C
Hình 3 5 Điện áp tham chiếu của giải thuật Third Harmonic
Tần số sóng mang được chọn là 8kHz – Bằng với tần số tối đa cho phép của IGBT, đây là tấn số xung PWM Số lượng phần tử trong bảng tra sẽ quyết định tần số hoạt động Ví dụ ở 50Hz, số phần tử của bảng tra là:
Chế độ PWM sẽ xuất hết 320 giá trị của bảng tra sau đó quay lại xuất giá trị đầu tiên Quá trình này sẽ lặp lại liên tục Số phần tử trong bảng tra sẽ quyết định tần số hoạt động của động cơ, chính là tốc độ động cơ Số phần tử trong bảng càng nhiều thì tần số càng thấp, tức là tốc độ động cơ càng chậm
Khi khởi động động cơ có tải, các thực nghiệm cho thấy cần phải khởi động ở tần số thấp (ví dụ: 5Hz) sau đó tăng dần lên Nếu bắt đầu với tần số cao (ví dụ: 50Hz), động cơ sẽ không thể kéo được tải khi khởi động
So sánh để xuất xung PWM: Trong STM32 sóng mang được thể hiện qua giá trị thanh ghi ARR (Auto Reload) là một giá trị cố định, giá trị sóng điều chế được thể hiện qua thanh ghi CCR liên tục được cập nhật Khi hoạt động thanh khi Counter sẽ vừa đếm từ 0 đến giá trị ARR và từ ARR đếm trở về 0 và sẽ tạo ra một xung Trong lúc đếm thanh ghi Counter sẽ liên tục so sánh với giá trị CCR, logic xuất xung như sau:
+ Counter > CCR: Tính hiệu đầu ra ở mức thấp
+ Counter ≤ CCR: Tính hiệu đầu ra ở mức cao
Mỗi xung khi xuất ra sẽ có độ rộng khác nhau nhờ vào việc cập nhật liên tục giá trị CCR từ bảng giá trị sóng điều chế tức thay đổi Duty Cycle
* Tính toán giá trị CCR
Bằng cách sử dụng phần mềm Matlab nhóm thực hiện tính toán bảng giá trị CCR như sau:
56 Tạo 3 tín hiệu Sin lệnh pha nhau 120 độ và 1 tín hiệu sóng mang hình tam giác với tần số 8kHZ và so sánh với nhau
Hình 3 7 Tín hiệu sin lệch pha nhau 120 độ và 1 tín hiệu sóng tam giác
Hình 3 8 So sánh từng pha với sóng tam giác
Ta có tổng số giá trị sau khi tính toán là 3.600.000 giá trị như hình dưới
Hình 3 9 Giá trị workspace trong Matlab
Với tần số 50 Hz suy ra số lượng phần tử là 320 giá trị theo công thức:
Mỗi chu kỳ sóng tam giác sẽ tạo ra 1 xung tín hiệu Vậy suy ra được số sóng tam giác bằng 320 sóng
Ta tính được số phần tử trong mỗi sóng tam giác có số giá trị:
Khi đó, để tính được giá trị thứ nhất của CCR, ta sẽ so sánh giá trị của Vcar và Vref ở phần tử từ [1:𝑃𝑃 𝑠𝑎𝑤 ] Giá trị tiếp theo tiếp tục so sánh từ [𝑃𝑃 𝑠𝑎𝑤 + 1:𝑃𝑃 𝑠𝑎𝑤 + 𝑃𝑃 𝑠𝑎𝑤 ] …
Từ đó ta suy ra hàm: for count1=0: Nsaw-1 for countA=count1*Point_per_Saw+1:count1*Point_per_Saw+Point_per_Saw
58 if Gate1(countA)==1 //(Gate=1 khi Vref > Vcar) demAA+1; end end
Chức năng của hàm trên là so sánh giá trị của Vcar và Vref ở từng phần tử nếu Vref > Vcar thì biến “demA” cộng thêm 1 giá trị Kết quả thu được là số phần tử mà tại đó Vref > Vcar ở mỗi chu kỳ của sóng tam giác (NdemA_H)
Sau đó dùng hàm “NdemA_H=round(NdemA_H*CCR_max/Point_per_Saw);” để tính được giá trị CCR tại mỗi chu kỳ sóng của tam giác
NdemA_H là một mảng chứa 320 giá trị CCR trong bảng tra cần tính toán Ta chỉ cần xuất ra lần lượt các giá trị của bảng này ta sẽ được một chuỗi các giá trị trong bảng để đưa vào cho vi điều khiển
3.3.3 Thiết lập cho vi điều khiển Để tạo xung SPWM với vi điều khiển STM32F103C8T6 cần làm rõ một số vấn đề sau:
- Để xuất ra 6 tín hiệu PWM ta cần có 2 Timer vì mỗi Timer trên vi điều khiển chỉ xuất ra tối đa 4 Channel
- Các Timer khác nhau khi có cùng cấu hình thì các xung cho ra vẫn có độ sai lệch giữa các Timer Vì vậy, cần có một Timer nữa làm Timer Master để kích hoạt chức năng ngắt để 2 Timer còn lại đồng bộ với nhau
Do đó nên nhóm thực hiện sẽ dùng các Timer 1,2,3 với 2 chức năng khác nhau:
+ Timer 1: Tạo ra một Timer Master để làm Timer ngắt 2 Timer còn lại
+ Timer 2,3: Tạo ra tín hiệu SPWM từ bảng tra
Cấu hình ADC cho vi điều khiển được thiết lập ở chân PA4 như Hình 3.10:
Hình 3 10 Cấu hình ADC1 cho việc đọc tín hiệu từ cảm biến tay ga
Cấu hình Timer 1 sử dụng để tạo ngắt đồng bộ cho 2 timer được thiết lập như Hình 3.11:
Hình 3 11 Cấu hình Timer 1 tạo ngắt cho Timer 2 và 3 đồng bộ
60 Cấu hình Timer 2,3 tạo xung PWM được thiết lập như Hình 3.12, Hình 3.13:
Hình 3 12 Cấu hình Timer2 xuất 4 xung PWM đồng bộ với Timer 1
Hình 3 13 Cấu hình Timer 3 xuất 2 xung PWM đồng bộ với Timer 1
61 Như đã đề cập để thay đổi tần số điện áp 3 pha đầu ra, ta cần thay đổi thời gian cập nhật giá trị CCR tức Duty Cycle, để làm được điều này chức năng ngắt Timer trên vi điều khiển sẽ được sử dụng
Khi này tín hiệu SPWM điều khiển mỗi cặp của IGBT giống với lí thuyết Ta cần điều chỉnh tạo thêm Dead Time cho tín hiệu điều khiển IGBT phía thấp bằng cách điều chỉnh Duty Cycle thông qua điều chỉnh các thanh ghi CCRx Để tạo ra độ trễ 𝑡 𝐷𝑇 = 4 𝜇𝑠 ta có mối quan hệ:
125= 288 Như vậy để tạo ra Dead Time cho tín hiệu điều khiển IGBT phía thấp, ta dùng hàm:
Vì giá trị tối thiểu trong bảng không bé hơn 288 nên không ảnh hưởng đến quá trình xuất xung PWM Nếu như giá trị trong bảng bé hơn 288 thì cần xem lại và điều chỉnh 𝑡 𝐷𝑇 sao cho hợp lí
Thiết kế phần cứng
3.4.1 Sơ đồ thiết kế mạch điều khiển:
Bộ điều khiển bao gồm ba phần chính: một vi điều khiển được lập trình để phát ra 6 tín hiệu PWM dạng sóng sine, một mạch lái có ba opto cách ly và ba IC dẫn động, và một mạch công suất bao gồm sáu IGBT Để hoạt động một cách đúng đắn, bộ điều khiển cần ba nguồn điện độc lập và cách ly: một nguồn dành cho vi điều khiển (5 VDC), một nguồn cho mạch lái (12 VDC), và một nguồn cao áp cho các IGBT (gần 300 VDC)
Hình 3 14 Sơ đồ tổng quát bộ điều khiển động cơ không đồng bộ 3 pha [14]
3.4.2 Thiết kế mạch Để tối ưu kích thước và tránh hiện tượng nhiễu do điện áp cao, phần cứng được chia thành 3 mạch riêng biệt là mạch điều khiển, mạch lái IGBT, mạch động lực :
63 a) Khối vi điều khiển và khối cách ly
Khối vi điều khiển: Vi điều khiển STM32 sẽ có các chân I/O xuất xung PWM điều khiển cho Opto, đọc giá trị Analog từ tay ga
Trong mạch STM32 này, 6 chân PWM là: A0, A1, A2, A3, A6, và A7
Và chân đọc Analog từ tay ga đó là chân A4
Hình 3 16 Khối vi điều khiển
Khối cách ly: Xung PWM từ vi điều khiển STM32 sẽ truyền đến phần phát sáng của Opto cách ly Bộ phận nhận ánh sáng ở đầu ra sẽ bật tắt theo tín hiệu đầu vào là các xung vuông, các xung này sẽ đưa vào để điều khiển IC lái IR2103
Hình 3 18 Khối IC lái IGBT
IC lái IGBT nhận tín hiệu ra từ Opto qua các chân HINx – LINx và tạo ra xung điều khiển IGBT qua các chân HOx – LOx, có thể chịu điện áp cao lên đến 600V qua các chân VSx để đảm bảo hoạt động của mạch Bootstrap
Trong trường hợp điều khiển các bán dẫn dạng nửa cầu, việc điều khiển các bán dẫn ở mức thấp là đơn giản vì chân E của chúng được nối trực tiếp về âm nguồn, tạo ra chênh lệch điện áp đủ lớn giữa chân G và E để đảm bảo hoạt động ở chế độ bão hoà Tuy nhiên, ở các bán dẫn ở mức cao, việc tạo điện áp bão hoà trở nên không thể vì chân E không thể được kéo xuống mức thấp Do đó, kỹ thuật Bootstrap được áp dụng để tạo ra một điện áp thả nổi, giúp bán dẫn ở mức cao duy trì chế độ bão hoà ở mọi mức điện áp cung cấp
Hình 3 19 Mạch điều khiển khóa bán dẫn nửa cầu [14]
Nguyên lý hoạt động của mạch Bootstrap như sau:
+ Khi khoá bán dẫn phía thấp hoạt động chân Vs qua khoá bán dẫn mức thấp về âm, tụ Bootstrap được nạp thông qua nguồn VCC đây gọi là quá trình sạc tụ Bootstrap
Hình 3 20 Quá trình sạc tụ bootrap [14]
67 + Khi khoá bán dẫn phía cao hoạt động IC lái sẽ đóng công tắc nội bên trong khiến chân VB và chân HO thông nhau Lúc này tụ Bootstrap sẽ giải phóng điện áp qua chân HO kích chân
G của khoá bán dẫn phía cao, diode Bootstrap có vai trò đảm bảo điện áp từ tụ điện xả về chân
Hình 3 21 Quá trình khóa mức cao hoạt động [14]
Dẫn ngắt IGBT ở phía cao là một thách thức Không giống như IGBT ở phía thấp, chỉ cần cấp một điện áp vào chân G so với mát chung, IGBT ở phía cao đòi hỏi một chênh lệch đáng kể giữa chân G và chân E (ví dụ: >5V) Điều này là do IGBT ở phía cao không có chân
E kết nối với mặt đất như IGBT ở phía thấp
Vì vậy, vai trò của mạch bootstrap trong việc dẫn ngắt đồng bộ cả IGBT ở phía cao và phía thấp là vô cùng quan trọng Hiện tượng trùng dẫn không phải là điều mới mẻ khi làm thử nghiệm với mạch này Do đó, việc đấu nối đầy đủ các chân như VB, VS, và tụ điện là cực kỳ cần thiết c) Mạch công suất
Mạch động lực khá đơn giản gồm các khoá công suất, các cổng kết nối Việc tách riêng mạch động lực và mạch điều khiển nhằm giảm tối ta tình trạng nhiễu do điện áp cao gây ra IGBT H25R1203 được sử dụng để điều khiển động cơ không đồng bộ, là một thành phần công suất có khả năng chịu điện áp cao và dòng cao Theo thông số kỹ thuật của nhà sản xuất, IGBT này có thể chịu được điện áp lên đến 1200V và dòng điện tối đa là 25A
Xuất tín hiệu PWM cho các IGBT hoạt động là một phần rất quan trọng Trong thực tế, các IGBT dễ bị hỏng do hiện tượng trùng dẫn Đặc biệt, với điện áp cấp cho các IGBT khá cao (khoảng 300V), rủi ro cháy hỏng của chúng là khá cao
Từ những cơ sở của mạch nguyên lí mạch in được thiết kế nhằm tăng tính thẩm mĩ cũng như sự chính xác Nhóm dùng phần mềm proteus để thiết kế mạch hai lớp và được gia công ở xưởng ngoại quốc
Hình 3 23 Các đường tín hiệu mặt trên và mặt dưới mạch công suất
Hình 3 24 Các đường tín hiệu mặt phía trên mạch IC lái IGBT
Hình 3 25 Các đường tín hiệu mặt phía dưới mạch IC lái IGBT
Hình 3 26 Các đường tín hiệu mặt phía trên mạch vi điều khiển
Hình 3 27 Các đường tín hiệu phía dưới của mạch vi điều khiển
Hình 3 28 Mạch điều khiển thực tế
Hình 3 29 Mạch IC lái IGBT thực tế
Hình 3 30 Mạch công suất thực tế
THỰC NGHIỆM
Khảo sát kết quả
4.1.1 Thực nghiệm ở chế độ ASPWM
Trong thí nghiệm tần số sóng mang được cài đặt 8000Hz Số phần tử trong bảng sóng điều khiển được cố định 640 phần tử
Tần số điện áp 3 pha đầu ra là 50 Hz Có 6 tín hiệu điều khiển đầu ra từ vi điều khiển để điều khiển IC lái 2103, được chia thành 3 cặp tín hiệu, mỗi cặp tín hiệu lệch pha nhau 120 độ Mỗi cặp được lập trình để đưa ra tín hiệu ngược logic và có độ trễ 4às đưa vào chõn Hin và Lin của IR2103 Qua IR2103 sẽ xuất tớn hiệu ra cỏc chõn HO – LO để điều khiển các IGBT
Hình 4 1 Xung từ cặp chân HO1-LO1 ở chế độ ASPWM
75 Hai tín hiệu kết hợp điều khiển khóa bán dẫn phía cao và phía thấp của 1 pha, ta có thể thấy khi khóa bán dẫn phía ở trạng thái dẫn (kênh 1) thì khóa bán dẫn phía thấp ngắt(kênh 2) và ngược lại, tín hiệu trên cũng diễn ra tương tự tại các IC lái khác Tuy nhiên kĩ thuật này dễ sảy ra hiện tượng trùng dẫn dẫn đến cháy IGBT và nhiều thiệc hại khác
Hình 4 2 Xung lệch pha từ 2 chân HO1-HO2 ở chế độ ASPWM
Tín hiệu ở chân G của 2 IGBT phía cao hoặc phía thấp lệch nhau 120 0 như hình trên Đây là hình ghi nhận IGBT phía cao của 2 pha khác nhau.
Hình 4 3 Cặp xung vào chân HIN-LIN với độ trễ 4 𝜇𝑠 ở chế độ ASPWM
Tín hiệu chân G của IGBT phía cao và phí thấp của IGBT cùng pha với độ trễ để giảm thiểu trùng dẫn khi hoạt động
Hình 4 4 Điện áp pha kiểm tra thông qua tải bóng đèn ở chế độ ASPWM.
77 Điện áp pha ta đo được như hình trên Điện áp pha là điện áp ta đo từ 1 đầu của cuộn dây stator với cuộn dây trung tính của bóng đèn Qua đó ta thấy kĩ thuật này ta có thể tạo ra điện áp pha khá giống với mô phỏng, tuy nhiên bộ điều khiển hoạt động ở chế độ toàn kì này dễ gây ra hiện tượng trùng dẫn cháy IGBT và không dẫn động được động cơ có công suất lớn
4.1.2 Thực nghiệm ở chế độ HSPWM
Trong thí nghiệm tần số sóng mang được cài đặt 8000Hz Số phần tử trong bảng sóng điều khiển được cố định 1600 phần tử ứng với tần số 5hz khởi động ban đầu Tần số điện áp 3 pha đầu ra nằm trong khoảng 5Hz – 20Hz đây là vùng khởi động động cơ, cần một điện áp lớn để tạo moment giúp xe có thể lăn bánh Sau đó là 25hz là tần số cố định, lúc này điện áp giữ cố định cho xe hoạt động chạy với 1 tốc độ cố định
Hình 4 5 Xung từ cặp chân HO1-LO1 ở chế độ HSPWM
Tín hiệu đo ở chân G của 2 IGBT trong cùng 1 nhánh (1 pha) như hình trên Khi IGBT phía cao dẫn, thì phía thấp sẽ ngắt trong 1 bán kỳ Phương pháp này không giống với lý thuyết
78 SPWM thực sự, trong đó IGBT phía cao và thấp dẫn và ngắt xen kẽ liên tục Điều này giúp hạn chế trường hợp IGBT cao và thấp dẫn cùng lúc
Hình 4 6 Xung lệch giữa HO1-HO2 ở chế độ HSPWM
Tín hiệu ở chân G của 2 IGBT phía cao hoặc phía thấp lệch nhau 120 0 như hình dưới Đây là hình ghi nhận IGBT phía thấp của 2 pha khác nhau
Hình 4 7 Điện áp pha kiểm tra thông qua tải bóng đèn ở chế độ HSPWM.
79 Kết quả điện áp pha cho thấy khá giống với mô phỏng và gần giống với sin theo lý thuyết, nhưng dòng điện cho ra vẫn chưa ổn định Nguyên nhân của vấn đề là kỹ thuật áp dụng trong việc dẫn và ngắt các IGBT phía cao và phía thấp không hoạt động như dự kiến Ví dụ, khi IGBT phía cao được dẫn trong thời gian dài nhất (trong chu kỳ PWM), nhưng cả hai IGBT phía thấp không được dẫn trong thời gian đủ Kết quả là dòng điện không được điều khiển một cách hiệu quả Tuy nhiên, với kỹ thuật hiện tại, hệ thống vẫn có thể vận hành được động cơ mà không gây ra sự cháy chập của IGBT Bộ điều khiển cũng đã có khả năng vận hành động cơ công suất lớn mà không gặp vấn đề khi không có tải.
Kết quả thực nghiệm
Vì ở chế độ toàn kì không dẫn được động cơ có công suất lớn vì dễ trùng dẫn gây ra cháy vì vậy nhóm đã thực hiện ở chế độ bán kì để thí nghiệm với các động cơ
Mạch có thể dẫn động được là cho động cơ 2kW, chế độ không tải Do độ tự cảm của các cuộn dây stator khá nhỏ, dòng điện khởi động rất lớn IGBT bị chập cháy khi khởi động
Hình 4 8 Thực nghiệm với động cơ 2kW
80 Mạch điều khiển cũng đã chạy được động cơ gắn trên xe máy điện Việc tăng tốc trên xe máy điện hiện tại chỉ là việc chuyển từ bảng giá trị 0 sang bảng có giá trị ở tần số 25Hz
Hình 4 9 Thực nghiệm với động cơ 1.5 kW trên xe máy